Фотони от нищото: как „безполезните“ наблюдения ще помогнат за откриването на тъмната материя

Телескопът JWST в търсене на аксиони.

Стандартният модел на физиката на елементарните частици, който описва всички известни компоненти на Вселената и техните взаимодействия, неизменно се потвърждава от лабораторните експерименти. Въпреки това той не може да обясни всички явления, които съществуват в космоса. По-конкретно, многобройните астрофизични изследвания показват, че 85% от масата на Вселената се състои от частици, които не фигурират в Стандартния модел. Сега две независими групи учени предложиха използването на космическия телескоп „Джеймс Уеб“ (James Webb Space Telescope – JWST) за търсене на фотони, които биха могли да възникнат от разпадането на хипотетичните аксиони – възможни съставки на тази мистериозна материя.

Първите доказателства за съществуването на тъмна материя са получени от физичката Вера Рубин през 70-те години на миналия век. По време на наблюденията си тя установява, че звездите и газът в периферията на галактиките се въртят по-бързо, отколкото би трябвало да се въртят въз основа на количеството видима материя. Откритията сочели наличието на масивен тъмен ореол около светещите обекти – именно този ореол създавал необходимата гравитация, за да задържа звездните системи в техните орбити.

Към днешна дата природата на тъмната материя, въпреки убедителните доказателства за нейното съществуване, остава неразкрита. Сред многото теоретични предположения, които представляват по-специален интерес, е хипотезата за аксиона на квантовата хромодинамика – принципно нова фундаментална частица, която би трябвало да има изключително малка маса и на практика да не участва в по-голямата част от физичните процеси.

Съществуването на аксиона би обяснило една от най-големите загадки на физиката. Това е силното ядрено взаимодействие – една от четирите фундаментални сили на природата, която задържа кварките в протоните и неутроните. Това взаимодействие, в разрез с теоретичните прогнози, запазва едно специално свойство – CP-симетрията, т.е. остава непроменено при едновременната замяна на частиците с античастици и огледалното отражение на пространството.

Според теоретичните изчисления аксионите трябва да взаимодействат изключително слабо със светлината – това свойство е характерно за всеки кандидат за ролята на тъмна материя. Въпреки това, дори при такава слаба връзка, тези хипотетични частици могат понякога да се разпадат, превръщайки се в двойки фотони. Вероятността за подобна трансформация се определя от специален параметър – константата на свързване, която показва колко интензивно аксионът влияе на електромагнитното поле.

Стойността на тази константа е толкова малка, че на повечето аксиони би им отнело повече време за разпад, отколкото съществува нашата Вселена. Въпреки това, тъй като всяка трансформация протича на случаен принцип, малка част от тях би трябвало да се разпаднат още днес. А като се има предвид, че тъмната материя вероятно е съставена от аксиони, броят им би трябвало да е огромен. В такъв случай някои от фотоните, получени при разпадането, биха могли да бъдат открити от съвременните телескопи, включително JWST.

В този случай регионите с висока концентрация на тъмна материя и минимален брой излъчващи обекти са най-подходящи за наблюдения. Райън Яниш и Елена Пинети от Националната лаборатория Ферми и Сандип Рой от Принстънския университет и колегите им предлагат да се изследва тъмното хало на нашата галактика.

В рамките на Млечния път компонентите на тъмната материя се движат със скорост около 200 километра в секунда – част от скоростта на светлината. При тези условия тяхната кинетична енергия е много по-малка от енергията на покой – енергията, съдържаща се в масата. Когато два фотона се разпаднат, всеки от тях отнема половината от общата енергия на първоначалния обект, която в този случай е почти равна на половината от неговата маса.

Ако масата на всички компоненти е еднаква, то фотоните от разпадането на различните компоненти ще носят еднакво количество енергия. Поради това сигналът трябва да се появи като тясна спектрална линия, разположена на честота, съответстваща на половината от масата на аксиона. В зависимост от истинската стойност на тази маса тази линия би могла да бъде регистрирана с помощта на телескоп.

JWST е най-модерният инструмент за наблюдения в дълбоката инфрачервена област, способен да открива изключително слаби източници на излъчване. В своите изследвания учените разглеждат два инструмента, намиращи се на неговия борд: спектрографът за близката инфрачервена област (NIRSpec) и инструментът за средната инфрачервена област (MIRI). И двата инструмента включват спектрографи, които прецизно различават светлината с различни енергии, което ги прави идеални за търсене на спектрални линии.

Въпреки че търсенето на тъмна материя под формата на аксиони не е основната мисия на JWST, до края на операцията ще бъде натрупано впечатляващо количество данни, подходящи за изследвания в тази област. Когато наблюдават далечните обекти, като например далечните галактики, астрономите трябва да определят каква част от регистрираното лъчение идва от изучавания обект и каква част е създадена от фоновата светлина.

В инфрачервения диапазон основният фонов сигнал се създава от слънчевата светлина, разпръсната върху междупланетния прах. За да се измери точно и след това да се извади този фон, както и други дифузни източници, телескопът се насочва встрани от основната цел – в област без ярки обекти. Това учените наричат „наблюдение на празното небе“.

NIRSpec и MIRI могат да работят в режим на интегрален полеви спектрограф (IFU), при който се измерва спектърът за всеки пиксел в изображението. Ако основният обект на наблюдение е компактен, съседните пиксели могат да се използват само като област на празното небе. Методът е идеален за намиране на слаби емисии от тъмното хало, тъй като игнорира ярките източници. Освен това, тъй като нашата Галактика е потопена в тъмното хало (ореол), всяко наблюдение на празното небе носи информация за възможен сигнал от разпадането на тъмната материя.

Групата на Рой е изчислила, че в продължение на десетилетие инструментите NIRSpec и MIRI ще събират данни за празното небе в продължение на няколко месеца. Това ще помогне или да се открият следите от аксиони с определена маса (от 0,18 до 2,6 електронволта), или да се докаже, че те не съществуват при стойности на константата на свързване, десет пъти по- малка от вече потвърдените с други методи. Успоредно с това Яниш и Пинети изследват наличните данни от NIRSpec. Като не откриха характерна спектрална линия на фона на случайните флуктуации на сигнала, те изключиха съществуването на аксиони с маса между 0,8 и 2,5 електронволта, които взаимодействат с фотони с около два пъти по-малка сила, отколкото се смяташе досега за възможно.

Двете изследвания демонстрират потенциала на JWST за търсене на тъмна материя и разгадаване на тайната на нейната природа. До края на работата на обсерваторията учените ще могат да тестват версии на аксиони, взаимодействащи със светлината десет пъти по-слабо, отколкото досега се смяташе за възможно. И за това дори няма да е необходима специална програма за наблюдение – данните, които телескопът събира за калибриране на основните си измервания, ще са достатъчни.